Направление: 010900 Прикладные математика и физика Профиль: Квантовая радиофизика

Направление: 010900 Прикладные математика и физика
Профиль: Квантовая радиофизика
Кафедра ядерно-физических методов исследования
Научный руководитель: доц. А.В. Донец
Рецензент: доц. А.В. Комолкин
Изучение свойств гидратации функциональных групп аминокислот
глицина и бета-аланина по данным ядерного магнитного резонанса и
квантово-химических расчетов
Рабдано Севастьян Олегович
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы исследования
Множество органических молекул выполняют свои функции исключительно в
водной среде. Взаимодействия молекул воды с белками задают ландшафт поверхности
свободной энергии. Она определяет структуру белка, управляет динамикой боковых
цепей и процессом сворачивания. Такие функции, как энзиматический катализ,
связывание
и
распознавание
целей,
сопровождаются
специфическими
взаимодействиями с отдельными молекулами воды в гидратном окружении молекулы
белка. Кинетика этих процессов ограничивается подвижностью молекул воды в
гидратных сферах, поэтому изучение микроструктуры и динамики растворителя
чрезвычайно важно.
Детализация существующих моделей гидратации недостаточна для раздельного
описания водного окружения гидрофильных и гидрофобных групп органических
молекул. Для корректного описания гидратного окружения амфифильных молекул
необходима модель гидратации их гидрофобных и гидрофильных фрагментов.
Метод ЯМР имеет ряд преимуществ перед другими экспериментальными
методами изучения гидратного окружения органических молекул. Он использует
сравнительно слабые магнитные взаимодействия между ядрами, это позволяет не
возмущать измеряемые величины инструментом измерения. Ядерная магнитная
релаксация намного чувствительнее к малонаселенным подструктурам растворителя,
чем такие методы, как диэлектрическая релаксация. Главным преимуществом является
селективность: в ЯМР-релаксации измеряются характеристики отдельных молекул
воды, а не усредненные по ансамблю величины.
Цель работы
Целью магистерской диссертации является создание методики изучения
гидратного окружения органических молекул. Для достижения данной цели
необходимо решить следующие частные задачи:
1. Создание модели гидратного окружения органических соединений, по
отдельности характеризующей гидратные окружения гидрофильных и гидрофобных
фрагментов молекул.
2. Получение параметров гидратации гидрофильных и гидрофобных
функциональных групп органических молекул, а также их температурных и
концентрационных особенностей, на основе применения разработанной модели к
концентрационным и температурным зависимостям скоростей спин-решеточной ЯМРрелаксации дейтронов воды в растворах глицина, β-аланина, γ-аминомасляной и
малоновой кислот.
3. Проведение квантово-химического расчета молекулярных кластеров из
аминокислот и большого количества молекул воды.
Научная новизна работы
Впервые определены подвижности молекул воды в гидратном окружении
отдельных функциональных групп органических молекул. Разделение гидратного
окружения на окружения отдельных фрагментов позволило исследовать температурные
и концентрационные особенности гидрофобной и гидрофильной гидратации. В
результате анализа данных предложена методика изучения свойств гидратации
отдельных фрагментов органических молекул при помощи ядерного магнитного
резонанса на ядрах 2H.
Практическая значимость
Полученные
результаты
способствуют
расширению
представлений о гидратации амфифильных органических молекул.
существующих
Разработанный методологический подход позволяет получать информацию о
гидратации отдельных фрагментов органических молекул важных в биологических
системах, недоступную с помощью ранее применявшихся методов.
Апробация работы
По материалам диссертации сделано 16 сообщений на российских и
международных научных конференциях, в том числе 11 в форме устных докладов (на
3-х молодежных конференциях доклады автора отмечены дипломами).
По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 16 тезисов
докладов.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав (первые две главы – вводные) и
заключения. В третьей и четвертой главах излагаются, соответственно, положения
модели аддитивных вкладов в ЯМР-релаксацию дейтронов в растворах органических
молекул и результаты исследования гидратации аминокислот, карбоновых кислот и их
гидрофильных и гидрофобных фрагментов. В пятой главе излагаются результаты
дополнительных исследований химического обмена амидных дейтронов аминокислот
методом ЯМР и микроструктуры растворителя в растворах аминокислот методом
квантовой-химии. Работа объемом 95 машинописных страниц содержит 21 рисунок, 16
таблиц и список литературы из 87 наименований.
Основное содержание работы
Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы ее основные
цели, отражена научная новизна и практическая ценность работы.
В первой главе, носящей обзорный характер, рассмотрено современное
состояние исследований гидратации органических молекул, отмечены некоторые
существующие дискуссионные проблемы, сформулированы задачи диссертации.
Во второй главе основное внимание уделено теоретическому описанию аспектов
метода ЯМР-релаксации в условиях различных режимов химического обмена ядер
дейтерия между сайтами их локализации.
В третьей главе предложена модель гидратации органических молекул, которая
позволяет изучать температурные и концентрационные зависимости скорости спинрешеточной ЯМР-релаксации ядер дейтерия воды в гидратном окружении отдельных
функциональных групп в растворах амфифильных соединений.
В параграфах 3.1–3.3 введены относительные концентрации сайтов локализации
для количественного описания сайтов гидратации, проанализирована их зависимость от
изотопного состава раствора, координационных чисел функциональных групп и числа
лабильных дейтронов в молекуле растворенного вещества.
В параграфе 3.4 сформулирована модель аддитивных вкладов в ЯМР-релаксацию
от отдельных сайтов локализации дейтронов, описаны теоретические границы
применимости модели.
В параграфе 3.5 описана система уравнений для расчета скоростей релаксации
дейтронов в отдельных сайтах для растворов глицина, β-аланина, γ-аминомасляной и
малоновой кислот. Делается заключение о замкнутости системы уравнений и
возможности ее решения относительно скоростей релаксации дейтронов в гидратном
окружении метиленовой, карбоксильной и амино групп.
Четвертая глава посвящена экспериментальному изучению свойств гидратации
молекул глицина, β-аланина, γ-аминомасляной и малоновой кислот, а также их
метиленовой, карбоксильной и амино групп методом ЯМР-релаксации.
В параграфах 4.1, 4.2 представлены основные экспериментальные результаты,
описаны свойства гидратации усредненные по гидратному окружению исследованных
соединений.
В параграфах 4.3, 4.4 произведен расчет скоростей релаксации дейтронов вблизи
метиленовой, карбоксильной и амино групп, приведены значения полученных энергий
активации вращательного движения молекул воды, проанализированы результаты,
полученные с помощью модели аддитивных вкладов.
В параграфе 4.5 сформулирована методика изучения свойств гидратации
отдельных фрагментов органических молекул.
В пятой главе описаны исследования медленного химического обмена амидных
дейтронов глицина и квантово-химические расчеты кластеров [глицин + (H2O)n]
(n=0–57) и [β-аланин + (H2O)n] (n=0–70).
В приложении приведены физико-химические свойства исследованных
органических молекул, параметры гидратации различных органических соединений из
литературы по изучению гидратации методом ЯМР-релаксации на ядрах растворителя
с 1989 года, скрипт для программы Mathematica, решающий систему уравнений для
нахождения скоростей релаксации в гидратном окружении функциональных групп,
программа для математического пакета Matlab, реализующая аппроксимацию спектров
ЯМР с асимметричным химическим обменом между двумя линиями при помощи
метода наименьших квадратов.
Основные результаты работы и выводы
Результаты данной работы, полученные методами ЯМР и квантовой химии,
предоставляют количественное описание явления гидратации для отдельных
функциональных групп аминокислот и дикарбоновых кислот. Для получения
численных значений параметров гидратации были проведены исследования ЯМРрелаксации ядер дейтерия в растворах глицина, β-аланина, γ-аминомасляной и
малоновой кислот, а также квантово-химические расчеты геометрий кластеров
[глицин + (H2O)n] (n=0–57), [β-аланин + (H2O)n] (n=0–70) и параметров электронной
структуры комплексов.
Анализ концентрационных и температурных зависимостей скоростей релаксации
дейтронов воды в растворах исследованных органических соединений позволяет
сделать следующие заключения:
1. Отношение времен корреляции вращательного движения молекул воды в
гидратном окружении глицина, β-аланина, γ-АМК и малоновой кислоты к
времени корреляции в чистой воде <τch>/τ0 больше 1, но меньше 1,4 при
температурах 275 K и 328 K.
2. С увеличением размеров молекулы растворенного вещества изменение в
<τch>/τ0 уменьшается. Такое поведение связано с влиянием большого
удельного количества гидрофильных групп. Для объяснения этого эффекта
необходимо ввести модель, которая разделяла бы вклады от гидрофобных
и гидрофильных фрагментов молекулы растворенного вещества.
3. Температурные зависимости скорости релаксации дейтронов в растворах
аминокислот и малоновой кислоты концентрации 1 моль/55,5 моль D2O
описываются двумя экспонентами с различными энергиями активации.
Параметры этих экспонент были определены.
По результатам анализа результатов применения модели аддитивных вкладов к
температурным и концентрационным зависимостям R1 в растворах изученных
органических веществ можно сделать следующие заключения:
1. Скорости релаксации дейтронов вблизи отдельных функциональных групп
не зависят от концентрации.
2. Вращательное движение молекул воды вблизи метиленовой группы
замедлено, вблизи карбоксильной и амино — ускорено.
3. Соотношение времен корреляции вращательного движения молекул воды
τch/τ0 в гидратном окружении CH2 слабо зависит от температуры. τch/τ0 для
молекул воды в гидратном окружении NH3+ и COO– меньше 1 при 2˚C и
монотонно увеличивается до 1 при увеличении температуры до 75˚C.
4. Энергия активации вращательного движения молекул воды вблизи
метиленовой группы близка к энергии активации в чистой воде. Вблизи
карбоксильной и амино групп энергия активации меньше, чем в чистой
воде.
5. Для разных пар аминокислот получились одинаковые качественные
результаты, но различные количественные. Этот факт может быть
объяснен взаимодействиями молекул растворенного вещества между собой
либо влиянием амино группы на релаксацию дейтронов воды вблизи
смежных гидрофобных групп.
В целом, модель аддитивных вкладов оказалась работоспособной. Она была
применена к водным растворам глицина, β-аланина и γ-аминомасляной кислоты. При
помощи нее были определены параметры гидратации метиленовой, карбоксильной и
амино групп, а также температурные и концентрационные зависимости этих
параметров.
Исследования химического обмена лабильных дейтронов глицина и малоновой
кислоты показали:
1. Дейтроны карбоксильной группы малоновой кислоты быстро
обмениваются с дейтронами воды. Метиленовая группа малоновой
кислоты дейтерировалась. Это означает, что она обменивается дейтронами
с водой. Этот обмен очень медленный и его влияние не было замечено в
диапазоне температур 2-75˚C. Из значений скорости релаксации дейтронов
CD2 были определены скорости релаксации дейтронов COOD при помощи
коррекции на константу квадрупольной связи и параметр асимметрии
градиента электрического поля.
2. Скорость обмен дейтронов D2O и ND3+ глицина k12 изменяется от 0,22 с-1
до 87 с-1 при изменении температуры от 2 до 75˚C.
3. При уменьшении pH с -0,1 до -0,9 наблюдается уменьшение энергии
активации для процесса переориентации молекул в растворах D2O.
Значения скорости релаксации амидных дейтронов аминокислот были
скорректированы, чтобы учесть изменение энергии активации.
4. Эффект замедления обмена амидных дейтронов глицина слабо влияет на
значения скорости релаксации дейтронов, средневзвешенной по всем
сайтам локализации.
Квантово-химические расчеты кластеров [аминокислота + (H2O)n] позволили
сделать следующие заключения:
1. Кластеры из 57 молекул воды и молекулы глицина, 70 молекул воды и
молекулы β-аланина достаточно большие и позволяют избавиться от
искажений рассчитываемых параметров гидратации связанных с
поверхностными молекулами воды.
2. Были определены параметры геометрии водного окружения аминокислот:
координационные числа, длины связей, ориентации молекул воды
относительно функциональных групп.
3. Были определены частичные заряды атомов аминокислот, порядки
водородных связей, константы квадрупольной связи дейтронов, энергии
водородных связей для молекул воды в гидратном окружении отдельных
функциональных групп.
4. Полученные значения ККС для дейтронов воды в гидратном окружении
практически равны ККС для дейтронов в чистой воде.
5. Энергии водородных связей для молекул воды вблизи метиленовой группы
больше, чем вблизи карбоксильной или амино группы.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
1. Рабдано С.О. Микроструктура и подвижность в водных растворах аминокислот по
данным ЯМР и квантовой химии // Материалы 10-й зимней молодежной школыконференции МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ. Санкт-Петербург,
2013.
2. Rabdano S.O. Temperature features of hydrophobic and hydrophilic interactions //
Proceedings of Interdisciplinary International Student Conference “Science and Progress.”
Saint-Petersburg, 2013.
3. Рабдано С.О. Гидратация отдельных функциональных групп белковых молекул //
Материалы научно-практической онлайн конференция «Спектрометрические методы
анализа». Казань, 2013.
4. Rabdano S.O., Donets A.V. Hydrophobic and hydrophilic effects in aqueous solutions of
organic molecules // Book of abstracts International Symposium and Summer School in St.
Petersburg “Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter.” Saint-Petersburg, 2013.
5. Rabdano S.O., Donets A.V. Hydration properties of functional groups of organic molecules
in aqueous solutions // Proceedings of EUROMAR 2013. Hersonissos, Greece, 2013.
6. Рабдано С.О., Донец А.В. Свойства гидратации отдельных функциональных групп
органических молекул // Сборник тезисов молодежной конференции-школы «Физикохимические методы анализа в органической химии». Санкт-Петербург, 2013.
7. Рабдано С.О., Донец А.В. Гидратация функциональных групп глицина и β-аланина //
Материалы 9-й зимней молодежной школы-конференции МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ. Санкт-Петербург, 2012.
8. Rabdano S.O., Donets A.V. Hydration properties of biological nanostructures in complex
solutions // Proceedings of Interdisciplinary International Student Conference “Science and
Progress.” Saint-Petersburg, 2012.
9. Rabdano S.O., Donets A.V. Hydration properties of organic molecules functional groups as
studied by NMR-relaxation and quantum chemical calculations // Proceedings of XV
International Youth Scientific School “Actual problems of magnetic resonance and its
application.” Kazan, 2012.
10. Рабдано С.О. Свойства гидратации β-аланина: изучение методами ЯМР-релаксации
и квантовой химии // Сборник тезисов VII всероссийской конференции с
международным участием «Менделеев-2012». Санкт-Петербург, 2012.
11. Rabdano S.O., Donets A.V. β-alanine hydration shells in aqueous solution studied by
NMR relaxation method and quantum chemistry // Book of abstracts International
Symposium and Summer School in St. Petersburg “Nuclear Magnetic Resonance in
Condensed Matter.” Saint-Petersburg, 2012.
12. Rabdano S.O. Hydration properties of biological nanostructures in complex solutions //
Proceedings of Interdisciplinary International Student Conference “Science and Progress.”
Saint-Petersburg, 2012.
13. Rabdano S.O., Donets A.V. Hydration of Alanine in aqueous solution as studied by NMRrelaxation and quantum-chemical methods // Book of abstracts International Symposium and
Summer School in St. Petersburg “Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter.” SaintPetersburg, 2011.
14. Rabdano S.O. β-alanine hydration shells in aqueous solutions studied by NMR relaxation
method and quantum chemistry // Proceedings of Interdisciplinary International Student
Conference “Science and Progress.” Saint-Petersburg, 2011.
15. Donets A.V., Rabdano S.O. Microstructure of complex solutions with organic molecules
// Proceedings of EUROMAR 2011. Frankfurt am Main, Germany, 2011.
16. Рабдано С.О., Донец А.В. Микроструктура гидратного окружения β-аланина в
водных растворах // Материалы 8-й зимней молодежной школы-конференции
МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ. Санкт-Петербург, 2011.